Informe: Utilización de CFD para centros de datos
Extracto del libro blanco de EOLIOS sobre los Centros de Datos
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Libro blanco
La carga térmica de los centros de datos ha en los últimos años. Y esta tendencia continúa, ya que hay un proceso de reducción del tamaño de losequipos electrónicos con aumento simultáneo de la potencia de cálculo , lo que conlleva la liberación de una gran cantidad de calor por unidad (una unidad de altura de rack de servidor). Mientras que hace unos años parecía que la capacidad de refrigeración de 5 kW por bastidor de servidor era suficiente para cubrir todas las necesidades existentes y previstas de los clientes en un futuro próximo, ahora existen en el mercado equipos que, aunque no ocupen todo el bastidor del servidor, lo llenan, emite más de 10 kW.
Casi todos los fabricantes de servidores disponen de estos equipos. Los principales grupos ofrecen un sistema informático unificado, que alcanza un consumo energético de 6U de 2 kW o más, según el modo de funcionamiento. No es raro que se generen más de 10 kW de calor por bastidor, con bastidores de hasta 45 kW.
La virtualización de servidores aumenta la disipación de calor de un único procesador
El uso de la tecnología de virtualización de servidores «empeora» la situación.
La virtualización de los servidores puede aumentar considerablemente su carga, y si los antiguos procesadores estaban inactivos entre el 75 y el 85% del tiempo, entonces, mediante el uso de la virtualización, la carga de los procesadores en los servidores aumenta considerablemente y, en consecuencia, se genera más calor en un servidor.
Las Mejores Prácticas para la Eficiencia Energética en Instalaciones de Centros de Datos de ASHRAE confirman estos datos.
El calor producido por el bastidor aumenta constantemente.
Por tanto, al diseñar un centro de datos moderno, es necesario centrarse en cargas térmicas de 10 kW o más por bastidor de servidor.
O, como último recurso, es necesario asignar zonas específicas en la sala de ordenadores del centro de datos, que proporcionarán refrigeración a partir de 10 kW por bastidor de servidor.
Para obtener una respuesta suficientemente precisa a esta pregunta, ya no basta con que el proyectista utilice únicamente la ecuación del balance térmico añadiendo un margen de capacidad de refrigeración del 10% al 20% y un programa Excel.
¿Cuál es el impacto del mantenimiento?
Una serie de problemas en el funcionamiento de los centros de datos
También surgen una serie de problemas al explotar un centro de datos existente, incluso con cargas térmicas bajas.
Por ejemplo, tras instalar equipos adicionales, pueden aparecer zonas muertas en el centro de datos.
En los centros de datos pueden producirse zonas locales de sobrecalentamiento de los equipos (conocidas como puntos calientes) o, por el contrario, zonas de temperatura bastante baja (para los sistemas de refrigeración natural).
Está claro que sobrecalentar los servidores, los sistemas de almacenamiento de datos y los equipos de red y telecomunicaciones es malo; tarde o temprano, las altas temperaturas provocarán averías y, por tanto, posibles pérdidas de datos.
La higrometría también tiene un efecto negativo en el funcionamiento de los servidores y sistemas de almacenamiento de datos.
Las bajas temperaturas aumentan la humedad, lo que puede provocar condensación.
Según la ASHRAE, la humedad relativa no debe superar el 80%.
Algunos fabricantes incorporan sensores de temperatura y humedad relativa en servidores y sistemas de almacenamiento, y los controles de software pueden desconectar el hardware cuando se superan los límites de humedad y temperatura.
La temperatura en las salas de servidores, donde se instalan y funcionan los equipos informáticos, está limitada por las normas no sólo por el límite superior, sino también por el inferior.
Según los últimos requisitos del Comité Técnico TC 9.9 de la ASHRAE, publicados en 2016, la temperatura de la sala de servidores no debe ser inferior a 18 grados centígrados.
Además, una temperatura más baja conlleva un uso ineficiente de la electricidad, con el consiguiente aumento de los costes de funcionamiento del centro de datos.
Para combatir los puntos calientes locales, el cliente puede tener que instalar ventiladores de suelo cerca de los bastidores de servidores, o instalar unidades adicionales de refrigeración por aire o líquido (si, por supuesto, hay espacio para ellas).
Sin embargo, utilizar métodos tan «radicales» no es necesariamente una necesidad. Pero a veces resulta que sólo habría que cambiar una cosa: puede que sea cuestión de quitar o añadir rejillas al suelo elevado y el problema quede resuelto.
Sin embargo, es extremadamente difícil identificar los cuellos de botella sin herramientas de software especiales y conocimientos precisos de los efectos termoaerodinámicos.
A menudo, el cliente utiliza el espacio del centro de datos de forma extremadamente ineficiente, sin cargar completamente los armarios ni distribuir uniformemente los equipos (si es que esto puede hacerse).
Pero todo esto podría haberse evitado creando un modelo termodinámico CFD del centro de datos y realizando cálculos de optimización basados en este modelo.
¿Qué altura tiene el suelo elevado en un centro de datos?
Cuando se diseña un nuevo centro de datos, el arquitecto encargado del proyecto siempre tiene una pregunta: ¿qué altura debe tener un suelo elevado en un centro de datos?
Evidentemente, cuanto más alto sea el falso suelo , mayor será la resistencia al flujo de aire, más redes diversas (redes de agua, bandejas de cables y cables) se podrán almacenar, y se podrán colocar estructuras y equipos adicionales bajo el falso suelo elevado, por ejemplo, redes de distribución de energía o puntos de consolidación para un sistema de cableado estructurado…
Sin embargo, al aumentar la altura del suelo elevado, aumentará el coste de la estructura del edificio y, de paso, disminuirá el espacio entre el suelo elevado y el techo, lo que puede dificultar la creación de un sistema de conductos para suministrar aire caliente a las unidades de refrigeración (CRAH).
Hace unos años se publicó una recomendación sobre la altura del suelo elevado en relación con la superficie de la sala de máquinas del centro de datos.
Con una superficie de la sala de máquinas
hasta 70 m², la altura del suelo elevado debe ser de al menos
400 – 500 mm, si la superficie de la sala de máquinas
100 m², la altura del suelo técnico elevado debe ser deal menos 500 – 700 mm, si la sala de máquinas tiene más de 300 m², la altura del suelo técnico elevado debe ser deal menos 700 mm. Esta regla general funcionaba cuando la carga por bastidor no superaba los 5 kW y no se utilizaba tecnología de aislamiento del aire caliente y frío (separación entre pasillos calientes y fríos).
En este contexto, para obtener una respuesta precisa a la cuestión de la altura del suelo técnico elevado, se recomienda realizar una simulación CFD de los flujos de aire, calcular varias opciones y elegir la más adecuada.
¿Qué es la simulación CFD?
CFD es el acrónimo de Dinámica Computacional de Fluidos.
Mediante un software especializado, el usuario crea un modelo tridimensional de un objeto, impone determinadas condiciones de contorno, selecciona modelos que representen fenómenos físicos que se producen en medios gaseosos y líquidos (transferencia de calor, flujo de medios, conductividad térmica, radiación, convección, etc.), selecciona un método de cálculo y realiza los cálculos… A partir de los resultados de cálculo obtenidos, el usuario evalúa y, si es necesario, modifica el modelo informático y vuelve a realizar los cálculos. A partir de los resultados de cálculo obtenidos, el usuario evalúa y, si es necesario, modifica el modelo informático y vuelve a realizar los cálculos.
El objetivo de la modelización es escribir los fenómenos físicos con la mayor exactitud posible y, a continuación, encontrar una solución adecuada y satisfactoria a los problemas de diseño que puedas encontrar.
Los resultados de la simulación se utilizan al tomar decisiones de diseño, para seguir mejorando el modelo creado de la planta, identificar cuellos de botella en la planta en funcionamiento y optimizar el sistema operativo.
Uso de la simulación CFD en los centros de datos
Desgraciadamente, las temperaturas de funcionamiento más elevadas pueden reducir el tiempo de respuesta en caso de aumento rápido de la temperatura debido a un fallo de la unidad de refrigeración.
Un centro de datos que contenga servidores que funcionen a temperaturas más elevadas corre el riesgo de experimentar fallo instantáneo del hardware simultáneamente.
La reciente normativa ASHRAE subraya la importancia de controlar proactivamente la temperatura ambiental dentro de las salas de servidores. Los centros de datos son objetos ideales para la modelización informática porque es imposible crear un prototipo o modelo físico de un centro de datos. Y sin crear un modelo de centro de datos
es imposible predecir con suficiente exactitud cómo funcionará el sistema de aire acondicionado en una instalación real en funcionamiento, cómo se comportará el sistema de aire acondicionado cuando cambie la carga, cómo cambiará la temperatura en una fila de bastidores de servidores y a lo largo de la altura de cada bastidor.
Al diseñar un sistema de aire acondicionado para un centro de datos, hay que tener en cuenta un gran número de parámetros.
He aquí algunos de ellos:
- Eltamañoy elvolumende la sala;
- Colocaciónde armarios y bastidores de telecomunicaciones en la sala de servidores;
- Altura del suelo elevada;dirección,volumenyvelocidadde movimiento de las corrientes de aire frío;
- Ubicacióndel equipo de aire acondicionado;
- Los tipos de ventilador utilizados y la dirección del flujo de aire,
- Consideración de los obstáculos al flujo de aire frío;
- El tipo de forjado elevado utilizado y lageometríade las salidas.
Al diseñar un sistema de aire acondicionado sin utilizar el análisis CFD, la mayoría de estos parámetros no se tienen en cuenta correctamente o están sobredimensionados.
De hecho, la influencia real en la distribución de la temperatura y la humedad en la sala del centro de datos depende del parámetro estudiado no puede estimarse de forma fiable sin una simulación informática precisa.
Software CFD para centros de datos
Existe un gran número de programas en el mercado que pueden utilizarse para resolver diversos problemas relacionados con la simulación de flujos de líquidos y gases.
Entre estos programas se encuentran los siguientes: ANSYS, Autodesk CFD, Xflow, Open Foam, Phoenics, Flow Vent,STAR-CD , FASTEST-3, Flow Vision, Tile Flow, Sigma6room, Gas Dynamics Tool… Sin embargo, no todos los programas de simulación de flujos termodinámicos disponen de módulos y bibliotecas de elementos integrados listos para usar, teniendo en cuenta las características específicas de los centros de datos.
Programas como Tile Flow y Sigma 6 llevan incorporados módulos, programas y bibliotecas para simular el flujo de aire en el centro de datos.
Para los ingenieros que no estén acostumbrados a trabajar con programas de modelización CFD, tiene sentido plantearse la compra de este tipo de software, que ya contiene modelos listos para usar para calcular los flujos de aire en el centro de datos, así como bibliotecas de equipos (por ejemplo, ventiladores, bombas, unidades de aire acondicionado). En todos los casos, la calidad del estudio depende del nivel de experiencia del ingeniero encargado de la simulación.
La ingeniería CFD debe ser realizada por especialistas.
Etapas del diseño de la modelización CFD de un centro de datos
Recuperación de las hipótesis de estudio
Antes de llevar a cabo el proceso de modelización de un centro de datos existente, es necesario realizar un estudio completo y preciso del objeto: medir la velocidad de los flujos de aire, medir la presión, tomar medidas de temperatura, determinar los canales de circulación del aire y detectar obstáculos y posibles ubicaciones de fugas de aire.
En otras palabras, la tarea de examinar un objeto existente en sí es bastante laboriosa pero, sin embargo, extremadamente útil.
Porque en el proceso de recopilación de datos se identifican los cuellos de botella.
Para resolver el problema de crear un modelo para un nuevo centro de datos, es necesario recoger datos iniciales del espacio y validar las hipótesis sobre las tecnologías y dispositivos utilizados.
Modelado 3D del centro de datos
El siguiente paso es crear un modelo geométrico del centro de datos (o gemelo digital) y de los elementos que lo componen.
Se crea un modelo 3D de un objeto utilizando programas CAD, y luego se exportan los datos al módulo de simulación CFD.
Crear la malla
El siguiente paso es crear el modelo de resolución. Este paso se realiza en programas que utilizan módulos de software de generación de malla integrados o mediante productos de software independientes.
La precisión, la convergencia y la velocidad de cálculo dependen de la malla. La calidad de los resultados obtenidos depende directamente de la calidad de la malla (finura, adaptación de la malla, etc.).
Tras la etapa de construcción de la malla, el usuario debe comprobar la calidad de la malla construida mediante diversos parámetros (asimetría de los elementos, relación altura/anchura).
Aplicación de condiciones límite y simulaciones
Se introducen las condiciones de contorno en el programa y se seleccionan los modelos según los supuestos, luego se realiza un cálculo, que puede converger o divergir (es decir, no tener una solución correcta) según los distintos parámetros anteriores.
Tras la convergencia, los resultados de los cálculos pueden procesarse mediante programas especiales y mostrarse en forma gráfica, tabular o inclusoanimada, demostrando claramente los cambios en los parámetros físicos.
Para los centros de datos, se suele utilizar una representación visual de los datos calculados en forma de distribución de la temperatura sobre la superficie de la sala de ordenadores y la altura de los bastidores de los servidores.
A continuación, el ingeniero analiza los resultados calculados y, si es necesario, modifica los modelos de los objetos y vuelve a realizar los cálculos.
¿Qué impacto tendrá esto en el diseño?
Las modernas herramientas de diseño permiten a los ingenieros de CFD comunicarse con los distintos oficios, para explicar de forma sencilla los fenómenos que están en la raíz de los problemas, y luego proponer proponer soluciones que luego pueden validarse colectivamente.
Resumen
Los programas CFD pueden utilizarse para simular el flujo de líquidos y gases, así como otros fenómenos físicos asociados a este proceso, como la transferencia de calor, por ejemplo.
La modelización termodinámica ofrece grandes oportunidades para analizar los flujos de líquidos y gases, lo que permite diseñar nuevos sistemas y equipos a un alto nivel profesional, uoptimizar los sistemas existentes.
Sin el uso de la modelización CFD, es imposible obtener respuestas precisas a cuestiones tan fundamentales como la distribución de las temperaturas y la humedad a lo largo de los pasillos fríos y la altura de la sala de racks de servidores, en función :
- de la carga térmica;
- donde están instalados los aparatos de aire acondicionado;
- la temperatura de los fluidos caloportadores y los refrigerantes;
- la altura del suelo elevado;
- la distribución de los horarios de emisión;
- el tipo de ventiladores y otros parámetros.
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